草甸草原降水影響土壤水分滲透分析

王 芳

（海拉爾區(qū)氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008）

水分是植物光合作用合成有機(jī)物質(zhì)的原料， 水分的多少影響著植物光合作用的強(qiáng)度。 水分通過不同的方式對植物生長產(chǎn)生影響，主要有大氣水分和土壤水分[1]。 土壤水分既是對氣候變化較為敏感的環(huán)境因子， 也是水循環(huán)的一個(gè)主要環(huán)節(jié)。 降水是草原牧區(qū)土壤水分的主要來源,降水對土壤水分影響十分明顯[2]。針對降水對土壤水分影響，專家學(xué)者[3-5]分析較多，大部分圍繞農(nóng)業(yè)開展研究。陳敏玲等[6]對內(nèi)蒙古半干旱草原土壤水分對降水格局變化的響應(yīng)進(jìn)行了分析，得出降水量平均每增加1mm，下滲深度在0.79cm～1.06cm；降水前土壤含水量越高，下滲深度越大；植被因子對降水下降的影響相對較小等結(jié)論。 分布于大興安嶺東西兩麓低山丘陵、 高平原上的草甸草原是內(nèi)蒙古草原重要的組成部分， 同時(shí)主要優(yōu)勢植物對降水的敏感性很高，降水對生物多樣性影響也很大[7]。 因此,筆者通過本文的分析， 擬找出草甸草原降水量對土壤水分狀況的影響， 為今后通過降水來分析土壤水分狀況提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)域選擇在內(nèi)蒙古呼倫貝爾草甸草原區(qū)的鄂溫克族自治旗（以下簡稱鄂溫克）和額爾古納市（以下簡稱額爾古納）兩個(gè)站點(diǎn)。鄂溫克地理位置49°07′N，119°44′E， 海拔620.8m， 年平均氣溫為-0.9℃， 年降水量為327.9mm，土壤多為暗栗鈣土。 植被類型屬于草甸草原，優(yōu)勢種植物有羊草、大針茅、冷蒿、線葉菊等[8]。

額爾古納地理位置50°14′N，120°10′E，海拔581.4m，年平均氣溫-2.0℃，年降水量361.5mm，無霜期119 天。 土壤多為黑鈣土、栗鈣土。 植被類型屬于草甸草原，優(yōu)勢種植物有羊草、貝加爾針茅、野豌豆等。

1.2 數(shù)據(jù)來源

在內(nèi)蒙古呼倫貝爾草甸草原區(qū)選取鄂溫克旗和額爾古納市國家氣象觀測站提供的2013—2017 年585 組過程降水?dāng)?shù)據(jù)，土壤重量含水率及體積含水量數(shù)據(jù)為中國電科27 所與河南氣象科研所共同研發(fā)的DZN2 （GStar-Ⅰ）型自動(dòng)土壤水分觀測儀觀測數(shù)據(jù)，該儀器是利用FDR 原理，通過電磁波在不同介電常數(shù)物質(zhì)中的頻率變化，計(jì)算出被測物含水量。本試驗(yàn)監(jiān)測深度為50cm，測定層次之間間隔為10cm。定時(shí)自動(dòng)采集不同層次的土壤濕度數(shù)據(jù)，時(shí)間步長為10min，可獲得每次降水過程前后完整的土壤重量含水率(θg)數(shù)據(jù)。 土壤重量含水率是指土壤中水分的重量與相應(yīng)固相物質(zhì)重量的比值。

1.3 研究方法

把降水量對各層（0～10cm、10cm～20cm、20cm～30cm、30cm～40cm、40cm～50cm）土壤重量含水率(θg)的變化分為兩個(gè)部分：1）θg 是否對降水有響應(yīng), 試驗(yàn)把θg 增減幅度在±0.1%以內(nèi)的數(shù)據(jù)視為不受響應(yīng)數(shù)據(jù)(否=0)(是=1)。 不同草地或不同深度θg 與降水的關(guān)系不同[9]，降水前土壤水分狀況也影響θg 是否對降水有響應(yīng)[6]。 2）θg 對降水有響應(yīng)后,θg 增量(⊿θg)與降水量、降水前后θg 相關(guān)性分析及模擬模型。 相關(guān)性及增長模型由SPSS19 軟件計(jì)算分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 θg 對降水的響應(yīng)

由表1 可知，降水量與各層θg 響應(yīng)顯著相關(guān)。鄂溫克10cm～20cm 相關(guān)系數(shù)很大， 而額爾古納30cm～40cm 相關(guān)系數(shù)很大，而兩地0～10cm 相關(guān)系數(shù)很小，可能是0～10cm土壤達(dá)到飽和程度的頻率較高， 土壤到達(dá)飽和后θg 對降水的響應(yīng)降低。 比如： 額爾古納2013 年8 月23 日降水1mm，降水前0～10cmθg 為31.24%，降水后0～10cmθg 無增長，而2013 年9 月11 日降水0.3mm，降水前0～10cmθg 為16.20%，降水后0～10cmθg 有增長。 可見，土壤越接近田間持水量，θg 對降水響應(yīng)越低， 同時(shí)田間持水量是θg 對降水響應(yīng)的重要因子，與前人研究一致[10]。

表1 降水量與各層θg 是否增長相關(guān)性

2.2 θg 對降水量的響應(yīng)Logistic 模型

分析兩地各層次土壤響應(yīng)模型，基本一致，僅0～10cm模型中X2 響應(yīng)效果不同，鄂溫克為正值，而額爾古納為負(fù)值。 通過分析，產(chǎn)生差異的主要因素有土壤性質(zhì)不同，額爾古納以黑鈣土為主，土壤含水能力較強(qiáng)，加之降水量較多， 導(dǎo)致影響0～10cm 土壤θg 對降水的響應(yīng)主要因素為是否達(dá)到飽和狀態(tài)（上限狀態(tài)），越接近飽和狀態(tài)，土壤θg 響應(yīng)概率越低[11]，降水前0～10cmθg 越高，降水后的θg越不可能（0）增長。 而鄂溫克以暗栗鈣土為主，含水能力較弱，降水量較少，主要考慮因素為θg 值過低導(dǎo)致無法響應(yīng)降水（下限狀態(tài)），降水前0～10cmθg 越高，降水后的θg越可能(1)增長。

其它層次θg 對降水的響應(yīng)和降水量及降水前θg 值成正向關(guān)系，降水越大，降水前θg 值越高，能夠響應(yīng)（1）的概率越大。 同時(shí), 控制其它因素， 額爾古納降水每增加1mm,各層θg 對降水的響應(yīng)概率增加2.683、1.781、1.213、1.226、1.152 倍；鄂溫克降水每增加1mm，各層θg 對降水的響應(yīng)概率增加2.215、1.881、1.369、1.325、1.212 倍。

2.3 θg 增量與降水量相關(guān)性分析

在降水能夠?qū)Ζ萭 產(chǎn)生影響的基礎(chǔ)上，討論θg 增量與降水量相關(guān)性。 θg 增量與降水量成正向相關(guān)關(guān)系 （P<0.01），隨著深度增加相關(guān)系數(shù)變小。 額爾古納30cmθg 增量與降水、 降水前θg30cm 均成正向相關(guān)關(guān)系（P<0.01）；40cmθg 增量與降水、10cm～30cmθg 增量成正向相關(guān)關(guān)系（P<0.01）；50cmθg 增量與降水、降水前后θg40cm 值、降水前θg50cm 值成正向相關(guān)關(guān)系。 而鄂溫克20cmθg 增量不僅與降水顯著相關(guān)而且與10cmθg 增量、 降水后θg10cm值正向相關(guān)；30cmθg 增量與降水、降水后θg20cm、20cmθg增量均相關(guān)；40cmθg 增量與降水、30cmθg 增量正向相關(guān)；50cmθg 增量與降水、降水后θg40cm 值正向相關(guān)。

2.4 降水量影響θg 增量模擬模型

為了探明降水量影響θg 增量值， 對θg 增量與降水量、各層降水前θg 值等數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線估計(jì)后發(fā)現(xiàn)，不同層次的θg 增量與降水量、各層降水前θg 值等數(shù)據(jù)呈線性相關(guān)，利用逐步回歸建立模擬模型，所有模型在顯著性水平0.01 上顯著。 模型表示，田間持水量較高地區(qū)（額爾古納）20cm～50cmθg 增量與上一層土壤狀況顯著相關(guān)，田間持水量較低地區(qū)（鄂溫克）除10cm～20cmθg 增量與降水量無明顯顯著相關(guān)外，其它層次均有相關(guān)關(guān)系。

3 討論

土壤水分變化對降水的響應(yīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，不僅受降水量大小的主導(dǎo)，而且還受干旱長短、植被類型和土壤質(zhì)地影響[12]。 本研究中，草甸草原降水滲透與土壤田間持水量顯著相關(guān)，田間持水量較高，對降水敏感度低。相同量級降水對田間持水量較低地區(qū)的土壤深層影響更大。 除地表外（0～10cm），其它層土壤θg 值受上一層影響較大。 農(nóng)業(yè)氣象學(xué)中“透雨”，通常指下的雨與地下水分連在一起，中間沒有干土層[13]。 θg 對降水量的響應(yīng)反映了降水深入深度隨著降水量與降水前土壤θg 的增大而加深，但由于降水前土壤θg 值較小，致使降水量雖大，但深度并不大，這與前人研究一致[14]。